Analyse von Zweikomponentenreaktionen in Abhängigkeit von den Konzentrationen der Komponenten
Aushärtekinetik bei unterschiedlichen Epoxid/Amin-Verhältnissen
DSC-Zweikomponenten-Härtungssystem
Dieses Handbuch ist der erste Teil einer Reihe von Benutzerhandbüchern über DSC-Zweikomponenten-Härtungssysteme:
Teil 1. Analyse der Zweikomponenten-Reaktion in Abhängigkeit von den Konzentrationen der Komponenten (dieser Leitfaden)
Inhalt
Einfluss des Epoxid/Amin-Verhältnisses auf die Aushärtungsgeschwindigkeit
Laden Sie das Beispieldatenprojekt
Erstellen eines kinetischen Modells für verschiedene Heizraten und ein festes Epoxid/Amin-Verhältnis
Projekt für die Analyse mit verschiedenen Konzentrationen vorbereiten
Erstellen des kinetischen Modells für eine Heizrate und die verschiedenen Epoxid/Amin-Verhältnisse
Erstellen eines kinetischen Modells mit Abhängigkeit vom Konzentrationsverhältnis
Einführung
Die Geschwindigkeit der Zweikomponentenreaktion A+B→C hängt nicht nur von der Temperatur ab, sondern auch von den Konzentrationen der reagierenden Verbindungen A und B. Eine Änderung des ursprünglichen Konzentrationsverhältnisses führt zu einer Änderung der Reaktionsgeschwindigkeit und der Reaktionsenthalpie.
Für jedes feste Konzentrationsverhältnis kann die kinetische Analyse der Thermoanalyse-Messungen gemäß der Arrhenius-Gleichung durchgeführt werden:
Das Ergebnis ist das kinetische Triplett mit den scheinbaren Werten von Präexponentialfaktor A, Reaktionstyp f(α) und Aktivierungsenergie Ea. Der Reaktionstyp kann scheinbare Werte von Parametern wie Reaktionsordnung n, Ordnung der Autokatalyse m, präexponentieller Faktor der Autokatalyse Kcat usw. enthalten.
Bei anderen festen Konzentrationsverhältnissen liefert die kinetische Analyse das kinetische Triplett mit anderen kinetischen Parametern. Wir können ein Kinetisches ModellKinetisches Modell ist ein allgemeiner Begriff, der das Schema (die Struktur) der einzelnen Reaktionsschritte einer mehrstufigen chemischen Reaktion, die Reaktionstypen und die kinetischen Parameter dieser Schritte enthält.kinetisches Modell erstellen, bei dem die scheinbaren kinetischen Parameter Funktionen der Anfangskonzentrationen sind.
In diesem "How To": Es wird ein gemeinsames kinetisches Modell erstellt, das sowohl von der Temperatur als auch von den Konzentrationen abhängt.
Einfluss des Epoxid/Amin-Verhältnisses auf die Aushärtungsgeschwindigkeit
Aushärtungsreaktionen sind autokatalytisch und enthalten Parameter für die Autokatalyse.
Die Aushärtungsreaktion des Epoxid-Amin-Systems kann durch die Arrhenius-Gleichung mit dem autokatalytischen Reaktionstyp von Kamal-Sourour beschrieben werden. Hier wird die vereinfachte Kamal-Sourour-Reaktion(https://kinetics.netzsch.com/en/f-a-q/kamal-sourour-equation-in-kinetics-neo ) Cn wird mit der gleichen Aktivierungsenergie für die Reaktion n-ter Ordnung und für die autokatalytische Reaktion verwendet.
Hier sind die Parameter A, n, Kcat, Ea die Funktionen der Anfangskonzentrationen der Reaktanten.
Laden Sie das Beispieldatenprojekt
Start Kinetics Neo. Klicken Sie im Menü auf der linken Seite auf Öffnen und wählen Sie dann Proben.
Wählen Sie das Verzeichnis DSC_Epoxy+Amin_Konzentrationen und die Datendatei DSC_Epoxy+Amin_Konzentrationen_Data.kinx2
Datei mit Daten öffnen DSC_Epoxy+Amin_Concentrations_Data.kinx2. Der exotherme Aushärtungsprozess wird hier als negative Peaks dargestellt.
Dieses kinetische Projekt enthält 12 Datenquellen. Die ersten 4 von ihnen sind markiert und in der Tabelle dargestellt. Es handelt sich um DSC-Messungen, bei denen die Konzentrationen Epoxid/Amin 1:1 betragen, was in den Namen der Datenquellen vermerkt ist.
Die nächsten 4 Messungen mit Namen, die mit "1_2" beginnen, haben die Konzentrationen Epoxid/Amin 1:2, und die letzten vier Messungen, die mit "2_1" beginnen, haben die Konzentrationen Epoxid/Amin 2:1.
Erstellen eines kinetischen Modells für verschiedene Heizraten und ein festes Epoxid/Amin-Verhältnis
Klicken Sie im Bereich Modellbasiert des Projektfensters auf Neu hinzufügen, um ein neues Modell zu erstellen. Fügen Sie dann im Properties Panel die Beschreibung "1:1" hinzu und wählen Sie Cn für Reaction Type A→B:
Blättern Sie im Bereich Eigenschaften zum Abschnitt Modellbetrieb und klicken Sie auf Optimieren, um ein kinetisches Modell für ein festes Konzentrationsverhältnis von 1:1 zu erhalten.
Projekt für die Analyse mit verschiedenen Konzentrationen vorbereiten
Gehen Sie für das aktuelle Projekt auf Datei-Projekt und markieren Sie Externe Parameter verwenden.
Wählen Sie Konzentrationsverhältnis, geben Sie Molverhältnis für Einheiten und Epoxy und Amin für Reaktantennamen ein:
Zeigen Sie in den Quelldaten alle Datenquellen an.
Wählen Sie eine Datenquellendatei aus, die 1_2 im Dateinamen enthält, und setzen Sie Konzentrationen auf 1:2.
Wiederholen Sie dies für alle Datenquellendateien mit dem Namen 1_2.
Für die Dateien mit 2_1 setzen Sie die Konzentrationen auf 2:1.
Wählen Sie Quelldaten, um alle Versuchskurven anzuzeigen. Die Legende muss das Konzentrationsverhältnis für jede Messung enthalten.
Erstellen eines kinetischen Modells für eine Heizrate und die verschiedenen Epoxid/Amin-Verhältnisse
Wählen Sie unter Datenquelle nur Messungen mit einer Heizrate von 10K/min aus. Heben Sie die Auswahl der Messungen mit anderen Heizraten auf.
Erstellen Sie die Kopie des Modells 1:1 mit einem Rechtsklick.
Legen Sie den Namen des neuen Modells 10K/min fest und klicken Sie auf das Kontrollkästchen Depends on Concentrations:
Jetzt wird die Anzahl der Parameter erhöht. Wir haben die Reaktionsreihenfolge des zweiten Reaktanten, der Parameter kMassToMol ist für die Neuberechnung des Verhältnisses von Masse zu Mol zuständig, kEnthalpy hilft bei der Berechnung der Änderung der Enthalpie bei Änderung der Konzentrationen, und nConcentration ist für die Bewegung der gesamten Kurve verantwortlich (wie bei der Kinetik bei verschiedenen Drücken):
Blättern Sie im Bereich Eigenschaften zum Abschnitt Modellbetrieb und klicken Sie auf Optimieren, um ein kinetisches Modell für eine feste Heizrate von 10 K/min und verschiedene Konzentrationsverhältnisse zu erhalten:
Erstellen eines kinetischen Modells mit Abhängigkeit vom Konzentrationsverhältnis
Zeigen Sie in den Quelldaten alle Datenquellen an.
Erstellen Sie eine Kopie des Modells 10K/min mit der rechten Maustaste, wie es zuvor gemacht wurde.
Legen Sie den Namen des neuen Modells fest: Alle Messungen.
Für die Optimierung der Parameter im Properties Panel gehen Sie in den Abschnitt Model Operation und klicken Sie auf Optimize:
Hier beträgt R² 0,999.
Dieses kinetische Modell kann die Abhängigkeit der Aushärtungsgeschwindigkeit sowohl von der Temperatur als auch von den Anfangskonzentrationen der Reaktanten beschreiben. Diese Methode kann sowohl für das Molverhältnis als auch für das Massenverhältnis als Eingangsdaten verwendet werden.
Dieses Modell kann nun für die Vorhersage der Reaktionsgeschwindigkeiten für ein bestimmtes Temperaturprofil und bei unterschiedlichen Konzentrationsverhältnissen der Reaktanten verwendet werden. Wenn das Modell auf Messungen mit unterschiedlichen Molverhältnissen basiert, kann die Vorhersage für ein neues Molverhältnis durchgeführt werden. Basiert das Modell auf unterschiedlichen Massenverhältnissen, so kann die Vorhersage für neue Massenverhältnisse der Reaktanten erfolgen.